专利名称：：基于网络信息理论的多水印技术的制作方法
技术领域：
：本发明属于通信与信息系统领域，涉及信息理论与编码和图像处理等技术，特别涉及数字图像水印技术。
背景技术：
：数字水印作为一种因版权保护而起的技术，被视作多媒体安全的"最后一道防线"，在数字作品的传输和保存过程中起到了重要作用。如果在一个数字媒体中仅嵌入了一个信息，则称之为单水印；如果嵌入了两个或者两个以上的信息，则称之为多水印。随着网络环境下作品交易、操作跟踪、网络出版等具体应用的日益广泛，对多水印技术的需求日益迫切，本发明涉及的主要是多水印领域，其特点是将多水印系统视为一个基于网络信息理论的多用户通信过程。多水印技术已经取得了一定的研究成果，其中最具代表性的方法可分为三类重复嵌入、分块嵌入和融合嵌入。.重复嵌入(Re-Watermarking)是最直接、最明显的方法，它直接由单水印算法移植而来，因而实际上就是多次采用单水印算法将多个水印信息一个接一个地嵌入，这种方法嵌入的水印数量直接影响载体作品的质量，并且采用这种方法嵌入多个水印后，检测第/个水印时，必须具有第/次嵌入水印之后、第/+1次嵌入水印之前的数据，这将限制其在很多实际应用中的可用性。分块嵌入(SegmentedWatermarking)与重复嵌入不同，它对可以用于嵌入水印的空间进行分割，每个子空间嵌入一个不同的水印信息，从而实现多个水印信息的嵌入，并且可以同时检测。分割的数量限制了能用这个理论嵌入的水印数量，同时当分割数量增加时，每个子空间就会减小，此时在每个子空间嵌入水印就变得更加困难。而这种方法的最大优点是可以同时嵌入多个水印信息，不必按照顺序迸行，并且可以同时检测，因此在实际中应用较多。与逐个嵌入水印不同的一种方案是先将各个水印进行融合，然后将合成的水印按照常规的单水印嵌入方式嵌入到载体中，即融合嵌入。这种方法可以较好地摆脱载体容量和嵌入算法对嵌入水印个数的限制，但此类方法要求很好的应用图像融合技术，才能获得较好的效果，并且要求多个水印同时嵌入，不适用于不能预知水印个数和所有水印信息的情况，相对而言，此类算法较少。但值得注意的是此类方法的一个变换方法——正交水印法，应用较多。所谓正交水印法是指嵌入的水印是正交的伪随机序列，这样在相关检测时，不会相互影响；这就相当于将多个正交的伪随机序列先进行线性叠加，然后作为一个整体嵌入，这个过程与融合的过程非常类似。而检测水印时，由于各个水印之间相互正交，不会相互干扰，但是这种方法通常只能检测水印信息的存在与否，而且各个水印之间必须正交或者近似正交，这在实际应用中受到限制。综上，已有多水印方法大都是单水印算法的简单变形，在容量、有效性、鲁棒性等性能方面有待进一步发展。含边信息水印是在边信息理论、网络信源编码理论和脏纸编码理论的基础上产生的。Cox等于1999年首次将水印看作是一种含边信息的通信。目前，含边信息水印系统在容量、鲁棒性、有效性等方面的优势，已逐渐得到人们的认可。本发明将边信息思想应用于多水印领域，提供一种新的多水印方法。
发明内容已有的理论研究和实验研究都表明，边信息的使用确实可以提高水印系统的性能。然而，边信息思想在水印领域的应用主要集中在单水印上，在多水印中尚未得到充分应用。本发明的主要目的是提供一种新的多水印方法，其基本原理是将多水印的实现过程视为一种含边信息的多用户通信过程，充分利用网络信源编码理论和多用户通信理论等体现边信息思想分析水印实现过程中可以从载体和水印等实体中获得的边信息，并利用这些边信息实现多水印的嵌入和提取。本发明提出的多水印技术包括一种基于网络信息理论实现多水印的方法和一个基于网络信息理论的分块多水印方法。1.基于网络信息理论实现多水印的方法已有的理论研究和实验研究都表明，边信息的使用确实可以提高水印系统的性能，但目前采用的仅仅是最简单的边信息形式，即对于信源Z^卩信源X2，在传输信源XJ寸，检测器只关心是否能够有效检测Z,，并不关心能否检测到12，如图l所示；同样，在传输信源义2时，检测器只关心是否能够有效检测X2,关不关心能否检测到J^。在已有的含边信息单水印系统中，来自载体的边信息只是作为辅助信息，以辅助水印系统更有效地传输水印，这在单水印系统中是很合理的。而在多水印系统中，需要嵌入的水印信息不止一个，如果仍然仅仅考虑载体与不同水印之间的边信息，那么单水印系统中的边信息思想可以直接应用到多水印系统中；然而，实际上，多个水印信息之间可能也存在相互关系，而这一相互关系也可以相互利用，而且此时多个水印信息之间处于相同的地位，利用网络信息理论中的相关信源编码定理对其进行分析会更加合理。因为在相关信源编码理论中，多个信源同等重要，检测器要求有效地检测到所有信息，图2显示的是一种典型的相关信源通信模型。我们在分析相关信源编码定理、多用户通信等网络信息理论的基础上，把多水印的实现过程类比为基于边信息的多用户通信过程，提供了图3显示的基于网络信息理论实现多水印的嵌入方法。此方法中，在水印编码阶段，从载体和多个水印信息中提取边信息，对各个水印信息进行含边信息的编码或预处理；在水印嵌入阶段，仍然充分挖掘载体和各个水印中的边信息，以有效地确定嵌入位置、嵌入强度。而在水印检测阶段，同样需要利用水印编码和水印嵌入过程中的一些边信息确定检测阈值。2.基于网络信息理论的分块多水印方法传统的典型分块多水印方法直接来源于单水印算法，对载体进行分块后，对载体的多个块以及多水印之间的相互关系利用不够，也称为盲多水印算法，其有效性等性能不高。我们利用载体作品与水印信息以及多个水印之间的相关信息优化水印嵌入位置、水印嵌入强度和水印检测阈值，提出了一种充分利用各种边信息的基于网络信息理论的分块多水印方法，图4显示的是水印嵌入和提取的框图。该方法将载体作品分块并产生与分块等大的参考模板，用一个参考模板代替一个水印信息，进行水印信息预处理获得水印信息模板；利用Watson感知模型计算感知间隙，并利用感知间隙对水印信息模板进行感知成形处理，以最大限度地提高载体的保真度，减少嵌入失真；以最大相关性的方式利用载体作品边信息寻找水印嵌入的最佳位置，使得载体和多个水印信息之间的干扰达到最小，确保水印检测时的有效性；以固定线性相关的方式利用载体边信息确定嵌入强度，使得载体分块与对应水印信息之间有固定的线性相关值，从而进一步确保水印检测的有效性。图1为最简单的边信息利用形式，这也是单水印系统中最常用的边信息利用方式。图2为一种典型的相关信源通信模型。图3为本发明提供的基于网络信息理论实现多水印嵌入的框图。图4为本发明提供的基于网络信息理论的分块多水印方法示意图。图5为本发明提出的方法在随机选择载体图像时的有效性测试结果。图6为本发明提出的方法在随机选择水印信息时的有效性测试结果。具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明所提供的方法中涉及的各个细节问题。1.基于网络信息理论实现多水印的方法如图3所示，本发明提供的基于网络信息理论实现多水印的具体实施方案如下(1)分析待嵌入的多个水印m[/](1《f^iV)与载体C。之间的相互关系以及多个水印信息之间的相互关系，以这些关系为边信息对水印信息wm进行含边信息的编码，得到水印编码信号R.，其中W表示需要嵌入的水印数。(2)结合固定鲁棒性的嵌入策略、固定保真度的嵌入策略等含边信息的嵌入策略，根据载体C。与所有水印编码信号R(1S/SW)之间的关系实现^的嵌入，在嵌入过程中包含利用边信息选择嵌入位置、嵌入强度，最终得到含水印信号cv,。(3)重复上述步骤，直到所有水印信号都被编码和嵌入，最终得到含水印信号CV。根据上述描述，本发明中水印编码器和嵌入器与常规含边信息单水印系统中的相同，可以采用各种编码和嵌入方式，且水印提取过程也与常规的含边信息单水印相同，其特殊之处在于，嵌入过程中涉及多个水印，因而从多用户通信的角度分析问题，并将多个水印信息平等对待，基于相关信源编码理论建立实现多水印嵌入的方法。与已有多水印方法相比，其不同之处在于在对多个水印信息进行编码和嵌入的过程中，编码器和嵌入器充分利用了载体与水印以及多个水印之间的相关性，这是网络信源编码理论的体现。2.基于网络信息理论的分块多水印方法如图4所示，本发明提供的分块多水印方法首先利用载体作品的对应分块与水印信号之间的最大线性相关值作为边信息选择嵌入位置、检测阈值和嵌入强度因子，其次将利用Watson模型得到的载体作品间隙数组对应分配到信息模板上使其感知成形，得到水印编码信号，然后通过固定载体作品与水印编码信号之间线性相关值来调节水印嵌入强度，完成嵌入过程，最后利用线性相关检测器进行检测，输出水印信息。实施过程中主要涉及以下4种利用边信息的方式(1)利用载体的对应分块与水印信息之间的最大线性相关值作为边信息选择嵌入位置、检测阈值和嵌入强度；(2)利用Watson模型提取载体边信息，使用间隙数组对代表水印的信息模板进行感知成形，得到水印编码信号；(3)利用载体作水印编码信号之间的线性相关值作为边信息，以固定载体与水印编码信号之间线性相关值的方式调节水印嵌入强度；(4)根据载体对应分块与水印信息之间的最大线性相关值确定的检测阈值，以线性相关的方式检测水印信息。2.1利用边信息选择嵌入位置、检测阈值和嵌入强度的实施步骤(1)设载体图像大小为MlxiVl，待嵌入的水印数量为W，则根据式(1)对第&个水印m[A;]进行预处理得到水印信息模板，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)气[%其中(1SA^7V)是大小为且在[O,l]间服从正态分布的伪随机序列，w』/U,)](1S/,j'《M)表示第A;个序列在[,，/]处的取值。(2)根据水印数量，将载体分为大小为MxM且互不重叠的块c。H(1S"「M1xM/(tWxM)"])，并用Co[t，;c,:f](1^/,ysM)表示每块中的象素值。(3)计算代表第A个水印的信息模板v^&]与载体的所有分块cQW(1WS「M1xATI/(AfxM)，)之间的线性相关值，如果水印附&]=1,则选择与wjA;]具有最大线性相关值的块作为嵌入位置，并将最大相关值与次大相关值之差作为水印的尺度縮放因子/[A]，同时将次大相关值作为水印检测时的阈值如果m[W,，则选择与wjA:]具有最小线性相关值的块作为嵌入位置，并将最小相关值与次小相关值之差作为水印的尺度縮放因子y&]，同时将次小相关值作为水印检测时的阈值、[A]。其中縮放因子yS&]用于后续确定嵌入强度。2.2利用Watson模型提取边信息进行水印编码的实施步骤(1)根据式(2)，利用载体各个分块离散余弦变换后的直流系数对Watson模型预定义的频率敏感度表f[/,/l进行调整，获得亮度掩蔽函数门限^[A;，/,J'],<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)其中"r为一常数，通常取值为0.649，C。[A:,0,0]为载体图像中第A分块经离散余弦变换后的直流系数，C。。为载体图像所有分块直流系数的平均值，也可以设定为代表图像预期强度的常数。(2)根据式(3)计算对比度掩蔽门限s[A:,;，y]，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)式中w[/,/]是一个介于0和1之间的常数，而且会因频率系数的不同而不同，在Watson模型中所有w[z'，刀都被取为0.7。最终门限4^",刀所估计的是块离散余弦变换的各项在一个刚好可察觉的范围内可经受的变化大小，亦称为间隙。(3)利用间隙对水印信息模板进行感知成形，即首先对水印信息模板进行离散余弦变换得到f^[A:]，然后利用式(4)对^JA:]进行感知成形得到离散余弦变换域下的感知成形信息『,&]，(4)最后对『,[A:]进行逆离散余弦变换得到空域成形模板H^^，即水印编码信号。2.3利用边信息确定嵌入强度的实施步骤(1)假设第A个水印的嵌入强度为a[A:]，则水印编码信号w,[A;]将按式(5)嵌入到对应分块中，UW=，+(5)此时，可以根据式(6)计算含水印信号c^[司和水印信息模板气[A]之间的线性相关值，&(气[A],cw[A])=(c。[外气W+气[A]气/(MxM)(6)其中v^[W根据式(7)确定。waW="W^W(7)在式(6)中，用^W+;^A:]代替&(气01c』^)，即可获得水印嵌入强度为(8)(2)采用(8)式获得的嵌入强度，根据式(5)嵌入水印信息得到含水印图像。2.4结合边信息提取水印的实施步骤(1)采用与嵌入过程中相同的方式对待检测载体q进行分块，并获得各个分块c"[/](1S"「MlxM/(MxM)，)。(2)以嵌入过程中的嵌入位置作为密钥，根据式(9)在可能含有水印信息的分块&[A]中检测水印"f曰息，1zlc()>r,c[*]w'[A:]-j无水印|z|C(wr|^],c[A:])|(9)其中&(w,[A;lcnl):])表示载体块c"W与水印信息M;,W之间线性相关值，^&]是嵌入过程中利用载体分块与水印信息模板之间的线性相关值确定的检测阈值。3.测试结果我们将所提出的方法应用在不同图像、不同水印信息等多种情况下，进行了充分的实验，验证了本发明所提出的多水印方法的有效性。下面给出以本发明提出的方法与常规盲分块多水印方法的实验比较结果。实验中，采用的载体是256X256的灰度图像，嵌入的水印数量是128。常规盲分块多水印方法将灰度图像分成256个互不重叠的块，每块大小为16X16，然后从256个分块中随机选择128个分块用于嵌入128个水印信息，并且所有水印采用相同的嵌入强度。(1)随机载体图像的有效性实验考虑到不同图像可能对实验具有一定的随机影响，为了充分说明本方法的广泛适用性，我们对随机载体进行了测试，即固定128个水印信息不变，载体图像不断变换，在1000幅图像中进行1000次实验。图5为两种方法提取的水印信息的平均误码率的分布情况，实验结果表明在载体图像随机选择的情况下，本方法的平均误码率主要分布在0附近，可以获得很好的有效性，而常规盲分块多水印方法的平均误码率主要分布在0.6之上，其有效性较差。(2)随机水印有效性实验考虑到不同水印也可能对实验造成一定的影响，为了充分说明本方法的广泛适用性，我们对随机水印进行了测试，即固定载体图像不变，128个水印信息不断改变，对1000组水印信息进行1000次实验。图6为两种方法提取的水印信息的平均误码率的分布情况，实验结果表明在水印随机选择的情况下，本发明提出的方法的平均误码率分布在O附近，可以获得很好的有效性，而常规盲分块多水印方法的平均误码率分布在0.5与0.6之间，其有效性较差。(3)鲁棒性实验为了进一步测试本发明提供的方法的性能，我们对本方法的鲁棒性进行了测试，表1显示的是各种常见图像处理攻击下提取多个水印的平均误码率。从表1可见，在常规图像处理攻击下，本发明提供的方法能够获得较低的误码率，即具有较好的鲁棒性。综上，本发明提出的多水印方法具有很好的有效性，并且对常规图像处理攻击具有较好的鲁棒性。表l.本方法在常规图像处理攻击下的鲁棒性<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1.一种基于网络信息理论实现多水印的方法，其特征是将多水印视为一种含边信息的多用户通信过程，利用相关信源编码定理和多用户通信理论分析载体、多个水印、信道和检测器的特性，根据边信息的基本思想从这些特性中提取水印编码、水印嵌入和提取阶段的边信息，并利用这些边信息实现多水印的编码、嵌入和提取。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于多水印嵌入的步骤是(1)利用各个水印信息m[/](IS/SAM与载体C。之间的相互关系对水印信息w[/]进行含边信息的编码，得到水印编码信号^，其中iV表示需要嵌入的水印数；(2)利用含边信息的嵌入策略，根据载体C。与所有水印编码信号^(1Sz'27V)之间的关系实现^的嵌入，得到含水印信号C^;(3)重复上述步骤，直到所有水印信号全部嵌入，最终得到含水印信号C『。3.—种基于网络信息理论的分块多水印方法，其特征是(1)利用载体的对应分块与水印信息之间的最大线性相关值作为边信息选择嵌入位置、检测阈值和嵌入强度；(2)利用Watson模型提取载体边信息，使用间隙数组对代表水印的信息模板进行感知成形，得到水印编码信号；(3)利用载体与水印编码信号之间的线性相关值作为边信息，以固定载体与水印编码信号之间线性相关值的方式调节水印嵌入强度。4.根据权利要求3，实现多个水印嵌入的具体步骤是(1)设载体图像大小为MlxiVl，待嵌入的水印数量为iV，则根据式(1)对第A个水印信息m[&]进行预处理得到水印信息模板，其中wrpt](BA^iV)是大小为MxM且在[O，1]间服从正态分布的伪随机序列，w,&,/J](15SM)表示第A;个序列在[/』处的取值；(2)根据待嵌入的水印数量，将载体分为大小为MxM且互不重叠的块c。[Z]US"「M1xjV1/(MxM)])，并用c。[f,x,j/〗(1S/J2M)表示每块中的象素值；(3)利用载体分块与水印信息模板之间的线性相关值确定水印嵌入位置和检测阈值，即计算代表第yt个水印信息的信息模板气[A:]与载体的所有分块c。[/](lSK「MlxM/(MxM)"l)之间的线性相关值，如果水印信息附|>]=1,则选择与v、[A;]具有最大线性相关值的块作为嵌入位置，并将最大相关值与次大相关值之差作为水印的尺度缩放因子/&]，同时将次大相关值作为水印检测时的阈值^&];如果附^]=0，则选择与v^^:]具有最小线性相关值的块作为嵌入位置，并将最小相关值与次小相关值之差作为水印的尺度縮放因子"k]，同时将次小相关值作为水印检测时的阈值&[A:]，其中缩放因子々[A:]用于后续确定嵌入强度；(4)根据Watson模型提取边信息，利用间隙对水印信息模板进行感知成形，即首先对水印信息模板进行离散余弦变换得到『&]，然后利用式(2)对『"A:]进行感知成形得到离散余弦变换域下的感知成形信息j^&]，，](2)其中s[A:]表示载体块c。[yt]的总体感知距离，最后对『,&]进行逆离散余弦变换得到空域的感知成形模板即水印编码信号；(5)假设第A个水印的嵌入强度为a&]，则水印编码信号w,[A]将按式(3)嵌入到对应分块中，c，=c。[^+a](3)此时，可以根据式(4)计算含水印信号c^[W和水印信息模板气[A:]之间的线性相关值，&(气问，cw=(c。[W.wmW+弋[W.气[A])/(MxM)(4)其中wJW根据式(5)确定；w。W-丰kW(5)在式(4)中，用^W+"W代替^OdA:lc^W)，即可获得水印嵌入强度op];〖y」(U小顺-CoW.w》](6)(6)采用式(6)获得的嵌入强度，根据式(3)嵌入水印信息。5.根据权利要求3，实现多个水印提取的具体步骤是(1)采用与嵌入过程中相同的方式对待检测载体c"进行分块，并记各个分块为c。t](1W「M1xvV1/(MxM)1);(2)以嵌入过程中的嵌入位置作为密钥，根据式(7)在可能含有水印信息的分块c"[A:]中检测水印"f曰息，zlc()>rJWnowatermark|z!c(wr[A〗,c"[&〗)|2r,c[A〗0zlc()<—r,c[W(7)其中&(5c[A])表示载体块c与用来对水印进行预处理的伪随机序列[A]之间的线性相关值，^[A]是嵌入过程中利用载体分块与水印信息模板之间的线性相关值确定的检测阈值。全文摘要本发明提供一种多水印方法，其基本原理是将多水印的实现过程视为一种含边信息的多用户通信过程，利用相关信源编码定理和多用户通信理论等理论分析并获得通信过程中可利用的边信息，包括水印嵌入和提取两个过程，包括步骤利用载体的对应分块与各水印编码信号之间的最大线性相关值作为边信息选择嵌入位置、检测阈值和嵌入强度；利用感知模型对水印信号进行感知成形；通过固定载体与水印编码信号之间的线性相关值来调节水印嵌入强度获得含水印载体；通过线性相关检测器进行检测。本方案可有效避免多个水印之间的相互干扰，并具有较好的鲁棒性，可用于网络出版、操作跟踪等场合的版权管理中。文档编号H04N7/26GK101437163SQ20091000070公开日2009年5月20日申请日期2009年1月8日优先权日2009年1月8日发明者颖王,俊肖申请人:中国科学院研究生院